CH10 图像编码基础和标准

第10章图像编码技术和标准

ImageCodingTechniquesandStandard张淑军青岛科技大学信息学院第10章

图像编码技术和标准本章教学目标（1）掌握预测编码和变换编码原理（2）掌握无损/有损预测编码系统模型（3）掌握基于DCT的变换编码系统组成，并理解各操作模块（4）掌握JPEG国际标准，了解其他图像国际标准第2页第10章图像编码技术和标准第3页第10章图像编码技术和标准第10章

图像编码技术和标准10.1预测编码10.2变换编码

10.3静止图像压缩国际标准

10.4运动图像压缩国际标准10.1预测编码如果能够根据前面n个像素的灰度值，预测后面像素的灰度值，则可以进行压缩如果整幅图像灰度值之间都存在一些确定的、可预测的关系，则可根据这些灰度值之间的差异进行压缩，而不必存储每一个像素点的灰度值这就是预测编码的思路。特点空域方法，消除像素间的冗余第4页第10章图像编码技术和标准第5页第10章图像编码技术和标准10.1预测编码基本思想通过仅对每个像素中提取的新信息（像素实际灰度值与预测值的差）进行编码来消除像素间的冗余像素间的相关性使得预测成为可能包括：（1）无损预测编码 （2）有损预测编码第6页第10章图像编码技术和标准10.1.1无损预测编码（1）无损预测编码系统（LosslessPredictiveCoding）系统组成：

编码器+解码器（有相同的预测器）

10.1.1无损预测编码编解码过程第7页第10章图像编码技术和标准第8页第10章图像编码技术和标准10.1.1无损预测编码无损预测编码过程：

输入序列：输入图像的像素序列fn

(n=1,2,…)

预测输出：（舍入成整数）预测误差：

误差编码：在符号编码器中用变长码对误差进行编码解压序列：

哪里取得了压缩？（消除了像素间冗余）

当图像存在像素间冗余时，像素之间常常有较强的规律性，因此预测误差常常在很小的范围内，对这些误差进行编码当然比对源图像的每个像素值进行编码简单的多，达到了压缩的目的第9页第10章图像编码技术和标准10.1.1无损预测编码不同的预测器：

m阶线性预测：当前值需要前面的m个值来进行预测

1-D线性预测：只用同一行/列的前面像素值来预测

一阶1-D线性预测（也称前值预测器，差分编码）第10页第10章图像编码技术和标准10.1.1无损预测编码例：一维线性预测器

左图为a=1时的预测误差图像原图像和预测图像的直方图预测误差的变化比原图像灰度变化要小得多10.1.2有损预测编码有损编码：牺牲图像复原的准确度以换取压缩能力的增加。如果产生的失真可以容忍，则压缩能力的增加是有效的。有损压缩方法的压缩比：

在图像压缩比大于30:1时，仍然能够重构图像。

在图像压缩比为10:1到20:1时，重构图像与原图几乎没有差别。

无损压缩的压缩比很少有能超过3:1的。有损压缩和无损压缩的根本差别在于有没有量化器有损预测编码和变换编码都是有损压缩。第11页第10章图像编码技术和标准10.1.2有损预测编码有损预测编码的基本思想对预测误差进行量化，通过消除心理视觉冗余，达到对图像进一步压缩的目的。算法演变无损预测压缩的基础是：原图像值fn与预测值之间的误差，有公式：

解码与编码使用相同的预测器

有损预测编码的演变——引入量化第12页第10章图像编码技术和标准第13页第10章图像编码技术和标准10.1.2有损预测编码（2）有损预测编码系统（LossyPredictiveCoding）系统组成：

增加了1个量化器，预测器放在1个反馈环中10.1.2有损预测编码有损预测编码过程量化器插在符号编码器和预测误差产生处之间，把原来无损编码器中的整数舍入模块吸收了进来；量化器将预测误差映射到输出中，确定了有损预测编码中的压缩量和失真量；反馈环的输入是过去预测和与其对应的量化误差的函数：第14页第10章图像编码技术和标准第15页第10章图像编码技术和标准10.1.2有损预测编码有损预测编码系统中的数据 输入序列：fn

(n=1,2,…)

量化输出： 预测输入： 解压序列： 编码误差： 哪里又取得了压缩？（量化，减少了心理视觉冗余）

将多个误差值量化为有限级别

第16页第10章图像编码技术和标准10.1.2有损预测编码

例：德尔塔调制（DM编码）

预测器

量化器 预测系数a≤

1，常数c>0

符号编码器只用1比特码字（0/1）描述，因此DM方法得到的码率是1比特/像素。第17页第10章图像编码技术和标准10.1.2有损预测编码误差问题失真问题是有损预测编码面临的共同问题，失真的严重程度与量化和预测方法及它们间的相互作用有关。但预测器和量化器往往是独立设计。预测器在设计中认为量化器没有误差，而量化器在设计中只是考虑最小化自身的误差。（1）最优预测

（2）最优量化第18页第9章图像编码10.1.2有损预测编码（1）最优预测

4阶线性预测器四个例子：第19页第9章图像编码10.1.2有损预测编码例10.1.3采用3种预测器的DPCM预测效果比较一阶二阶三阶预测后的解码图预测误差图像：误差随预测器阶数的增加而减小采用德尔塔2级量化器第20页第9章图像编码10.1.2有损预测编码（2）最优量化量化函数最优量化器的设计就是要在给定优化准则和输入概率密度函数的条件下，选择最优的和。第21页第9章图像编码10.1.2有损预测编码（2）最优量化

以下量化器称为L级

Lloyd－Max量化器：q(s)奇函数第22页第10章图像编码技术和标准第10章

图像编码技术和标准

10.1预测编码

10.2变换编码

10.3静止图像压缩国际标准

10.4运动图像压缩国际标准第23页第10章图像编码技术和标准10.2变换编码基于图像变换的编码方法（频域）用一个可逆的、线性的变换（如傅立叶变换），把图像映射到变换系数集合，然后对该系数集合进行量化和编码。大多数图像变换得到的系数值都很小，这些系数可以较粗地量化，或忽略不计，且仅以较小的图像失真为代价。虽然失真很小，信息仍然不能完全复原，所以还是有损压缩。

第24页第10章图像编码技术和标准10.2变换编码变换编码的基本思想举例

原始图像 相应的DCT系数第25页第10章图像编码技术和标准10.2.1基于DCT的变换编码典型的变换编码（TransformCoding）系统编码部分由4个操作模块构成：构造子图像、正变换、量化和符号编码。解码部分由与编码部分相反排列的一系列逆操作模块构成压缩不是在变换中，而是在量化变换系数时及编码中取得的变换编码的步骤构造子图像：一幅NN图像先被分解成尺寸为nn的子图像，通过变换这些子图像，得到个nn的子图像变换数组。（减小变换的复杂度）正向变换：解除每个子图像内部像素之间的相关性，将尽可能多的信息集中到尽可能少的变换系数上。

量化：有选择地消除或较粗糙地量化携带信息最少的系数，因为它们对重建的子图像的质量影响最小。

符号编码：对量化的系数进行编码（常用变长码）第26页第10章图像编码技术和标准10.2.1基于DCT的变换编码第27页第10章图像编码技术和标准

实现变换编码算法的主要问题子图像尺寸的选择变换的选择比特分配（位分配）10.2.1基于DCT的变换编码第28页第10章图像编码技术和标准1、子图像尺寸选择计算量随子图像尺寸的增加而增加块效应和误差随子图像尺寸的增加而减小子图像的长和宽n应该是2的整数次幂，为便于降低计算复杂度。n一般选为88或1616（已成为国际标准）NNnnnnnnnnnnnn10.2.1基于DCT的变换编码第29页第10章图像编码技术和标准

变换编码重建误差与子图像尺寸的关系10.2.1基于DCT的变换编码第30页第10章图像编码技术和标准例：子图像尺寸的影响（保留20％的DCT系数）右图依次为：重构图；误差图；放大原局部图；2×2的结果；4×4的结果；8×8的结果2×2图有块效应10.2.1基于DCT的变换编码第31页第10章图像编码技术和标准2、变换的选择一个能把最多的信息集中到最少的系数上去的变换所产生的重建均方误差最小不同变换的信息集中能力不同 正弦类变换（如DFT和DCT）较优 非正弦类变换（如WHT:Walsh-Hadamard）实现简单 小波变换计算快且有局部性质（不需分解）10.2.1基于DCT的变换编码第32页第10章图像编码技术和标准常用的变换：DFT，WHT，DCT

都是正交和可分离变换集中能力：DCT>DFT>WHT

所需计算量：DFT>DCT>WHTDFT的块效应严重。常用的是DCT，已被国际标准采纳，作成芯片。其优点有：基本没有块效应。信息封装能力强，把最多的信息封装在最少的系数中。10.2.1基于DCT的变换编码第33页第10章图像编码技术和标准例：变换的选择比较对512×512的单色图的3种近似。先分割成8×8的子图像，变换后截去50％的系数，再逆变换。括号内为逆变换后图像对应的均方误差。DFT(1.28)WHT(0.86)DCT(0.68)10.2.1基于DCT的变换编码第34页第10章图像编码技术和标准3、比特分配（BitAllocation）比特分配：对变换子图像的系数截断、量化和编码的全过程称为比特分配。截断误差与两个因素有关： ①截除的变换系数的数量和相对重要性 ②用来表示所保留系数的精度（量化）保留系数的2个准则 ①最大方差准则，称为分区编码 ②最大幅度准则，称为阈值编码10.2.1基于DCT的变换编码第35页第10章图像编码技术和标准(1)分区编码系数截断：保留具有最大方差的系数（通常集中于接近图像变换的原点处，左上角为原点）形成分区模板：最大方差位置的系数为1，其他为0对所有子图像使用同一个模板10.2.1基于DCT的变换编码第36页第10章图像编码技术和标准量化和编码①先设定分区模板确定哪些系数要保留（图a）②再对保留的系数进行变长编码（图b）10.2.1基于DCT的变换编码第37页第10章图像编码技术和标准(2)阈值编码

根据子图像特性自适应选择要保留的变换系数

将系数排队，与阈值比较确定去舍

对所有子图像用一个全局阈值

对各个子图像分别用不同的阈值

根据子图像中各系数的位置选取阈值10.2.1基于DCT的变换编码DCT编码DCT编码DCT编码DCT编码DCT编码DCT编码DCT编码DCT编码DCT编码DCT编码DCT编码DCT编码DCT编码DCT编码DCT编码10.2.2基于DWT的变换编码小波变换（WaveletTransformation）编码简介法国工程师J.Morlet在1974年首先提出与Fourier变换相比，小波变换是空间（时间）和频率的局部变换，因而能有效地从信号中提取信息。通过伸缩和平移等运算功能可对函数或信号进行多尺度的细化分析，解决了Fourier变换不能解决的许多困难问题。小波变换的计算效率很高，且本质上具有局部性小波变换被誉为“数学显微镜”，应用广泛第53页第10章图像编码技术和标准小波（Wavelet）的含义顾名思义，“小波”就是小区域、长度有限、均值为0的波形。所谓“小”是指它具有衰减性；而称之为“波”则是指它的波动性，其振幅正负相间的震荡形式。小波变换（WT）与FT的区别-FT的基函数是正弦函数-WT则基于一些小波，具有变化的频率和有限的持续时间第54页第10章图像编码技术和标准10.2.2基于DWT的变换编码小波变换编码系统：基本思路也是通过变换减小各像素间的相关性以获得压缩数据的效果与采用正交变换（如DCT）的编解码系统不同，小波变换编解码系统中没有图像分解模块（本身具有局部性）第55页第10章图像编码技术和标准10.2.2基于DWT的变换编码第56页第10章图像编码技术和标准第10章

图像编码技术和标准

10.1预测编码10.2变换编码

10.3静止图像压缩国际标准

10.4运动图像压缩国际标准10.3静止图像压缩国际标准静态图像的主要数据文件压缩方式1．BMP图像文件格式：不进行任何压缩2．GIF图像文件格式：用LZW进行编码3．JPG图像文件格式：用JPEG压缩方法4.PCX图像文件格式：用扫描线游程压缩编码5.TIFF图像文件格式：不固定，大部分使用游程编码或使用哈夫曼编码及其变种或不压缩。第57页第10章图像编码技术和标准

相关的国际组织ISO（InternationalStandardizationOrganization,国际标准化组织）IEC（InternationalElectrotechnicalCommission，国际电工委员会）ITU（InternationalTelecommunicationUnion，国际电信联盟），前身是CCITT（国际电话电报咨询委员会）制定的图像国际标准：覆盖了从二值到灰度（彩色）值的静止和运动图像。采用的大部分基本技术前面已经介绍，主要包括预测和变换编码技术第58页第10章图像编码技术和标准10.3静止图像压缩国际标准图像国际标准分类图像国际标准分类1.用于压缩二值图像（面向传真而设计）

如：G3和G4（游程编码）2.用于压缩静止图像包括静止帧灰度和彩色图像（如：JPEG）3.用于压缩运动图像

包括连续帧灰度和彩色图像（如：H.261,MPEG-1/2/4，H.264/AVC）4.用于处理多媒体（如：MPEG-7/21）第59页第10章图像编码技术和标准第60页第10章图像编码技术和标准JPEG标准JPEG（Jointpictureexpertgroup）（1）ISO和CCITT两个组织在1991年制成草案，1994年成为标准（2）特点：定义了3种编码系统（针对不同的应用）

基于DCT的有损编码基本系统基于分层递增模式的扩展/增强编码基于DPCM（差值脉冲码调制法）的无损预测编码（3）在相同图像质量条件下，JPEG文件拥有比其他图像文件格式更高的压缩比，一般压缩10～50倍10.3静止图像压缩国际标准第61页第10章图像编码技术和标准JPEG标准

压缩的3个主要步骤：（1）DCT计算；（2）量化；（3）用熵编码器进行变长码赋值

JPEG基本系统编码器框图10.3静止图像压缩国际标准最开始还是分解子图像第62页第10章图像编码技术和标准JPEG具体压缩过程先把图像分解成一系列8×8的子块，然后按从左向右从上向下的次序处理；设

是图像灰度值的最大级数，则其中的64个像素都通过减去